რეზერფორდის ექსპერიმენტი: როგორ გაუფუჭდა მეცნიერებას ქლიავის პუდინგი

ექსპერიმენტით, რომელიც ერთი ან უკეთეს შემთხვევაში, რამდენიმე 
განსხვავებული ხედვის მქონე მეცნიერის დისციპლინირებულ
წარმოსახვას ეყრდნობა, შეიძლება მივიღოთ შედეგი, რომელიც უდიდესი
ფილოსოფოსის წარმოსახვასაც კი სცდება.
- ერნესტ რეზერფორდი -

ატომი რომ პროტონების, ელექტრონებისა და ნეიტრონებისგან შედგება, დღეს ყველა ჩვენგანისთვის ცნობილია, თუმცა სანამ ზუსტად გავიგებდით, რა იყო ეს “განუყოფელი” ნაწილაკი, დიდი გზა გავიარეთ.

ჯერ არდაბადებულ შვილს რომ სახელს დაარქმევ და მერე აღმოჩნდება, სქესი შეგშლია, ეგრე დაემართა დემოკრიტეს. ორ ათასწლეულზე მეტი გავიდა და აღმოჩნდა, რომ ატომი სულაც არ ყოფილა განუყოფელი, თუმცა სახელი კი შერჩა.

ატომის პირველი მეცნიერული მოდელი პატივცემულ ჯონ დალტონს ეკუთვნის. მან დაასაბუთა, რომ ყველა ნივთიერება თვალით უხილავი ზომის უმცირესი ერთეულებისგან შედგებოდა. დალტონს ატომი განუყოფელი ეგონა. მისი თეორიის მიხედვით, ყველა ელემენტის ატომი განსხვავებულია და მათი კომბინაციებით ვიღებთ განსხვავებულ ქიმიურ ნივთიერებებს.

მოგვიანებით, ჯოზეფ ჯონ ტომსონმა ელექტრონი აღმოაჩინა და  ატომის სტრუქტურის აღსაწერად ე.წ. ქლიავის პუდინგის მოდელი შემოგვთავაზა. ამ მოდელის მიხედვით, ატომი წარმოადგენდა დადებითად დამუხტულ ფუნთუშას, რომელშიც ქიშმიშები – უარყოფითად დამუხტული ელექტრონები იყო გაბნეული.

ამ მოდელის ჭეშმარიტების არც ისე დიდხანს სჯეროდათ, რადგან რამდენიმე წლის შემდეგ ტომსონის სტუდენტის, ერნესტ რეზერფორდის ექსპერიმენტმა სრულიად შეცვალა ატომის შესახებ წარმოდგენა.

რაში მდგომარეობდა ეს ექსპერიმენტი და როგორ გაფუჭდა ქლიავის პუდინგი?

რეზერფორდი არაჩვეულებრივი ექსპერიმენტატორი იყო და მას არაერთი აღმოჩენა ეკუთვნის. რადიოაქტიურ ნივთიერებებთან მუშაობისას მან აღმოაჩინა ალფა და ბეტა გამოსხივება. ატომის სტრუქტურის აღმოჩენაში კი სწორედ ალფა გამოსხივება დაეხმარა.

ექსპერიმენტიში, რომლის დორსაც ალფა ნაწილაკების ნაკადს მხოლოდ ჰაერი აბრკოლებდა, რეზერფორდმა შეამჩნია, რომ დეტექტორი უფრო ნაკლებ ნაწილაკს აფიქსირებდა, ვიდრე თეორიული გამოთვლების მიხედვით იყო მოსალოდნელი. ჰაერს დიდი ენერგიის მქონე ალფა ნაწილაკებზე არანაირი გავლენა არ უნდა მოეხდინა და მათ შეუშფოთებლად, ყოველგვარი არეკვლის გარეშე უნდა გაევლოთ გარემოში. შედეგი კი სულ სხვა რამეზე მიუთითებდა: ნაწილაკებს გზად რაღაც აბრკოლებდა, რადგან რადიუმის წყაროს მიერ გამოსხივებული ნაწილაკების 100% ვერ აღწევდა დეტექტორამდე. ამ პერიოდში რეზერფორდის ლაბორატორიაში არაერთი ექსპერიმენტი ტარდებოდა, რომლებშიც ნაწილაკების მცირე გაბნევას იკვლევდნენ სხვადასხვა მეტალის სხვადასხვა სისქის ფირფიტაში გავლისას. ამ მოულოდნელი შედეგის გამო რეზერფორდმა მასთან მომუშავე მკვლევარებს, გაიგერმა და მარსდენს სთხოვა ენახათ, შეიძლებოდა თუ არა, ალფა ნაწილაკი არეკლილიყო მეტალის ზედაპირიდან. სწორედ ამის შემდეგ ჩაატარეს გაიგერმა და მარსდენმა დღეს უკვე ძალიან ცნობილი ოქროს ფოლგის ექსპერიმენტი, რომელმაც რეზერფორდი ატომის სტრუქტურის აღმოჩენამდე მიიყვანა.

ექსპერიმენტი შემდეგში მდგომარეობდა: 

რადიოაქტიური რადიუმი მოათავსეს ტყვიის კოლოფში. ტყვიის კოლოფი გამოსხივების დიდ ნაწილს შთანთქავდა და მხოლოდ პატარა ნახვრეტიდან გამოდიოდა ნაწილაკთა კონა. გამოტყორცნილი ალფა ნაწილაკები დაუმიზნეს ოქროს ფოლგის ძალიან თხელ ფირფიტას. ფირფიტა თუთიის სულფიდის ეკრანით იყო გარშემორტყმული, რომელიც ალფა ნაწილაკის დაჯახებას დააფიქსირებდა – აციმციმდებოდა.

რეზერფორდი ელოდა, რომ ტომსონის მოდელის შესაბამისი სტრუქტურის მქონე ატომებში, რომლებშიც თანაბრად იყო განაწილებული მასა და დადებითი მუხტი, დიდი ენერგიის მქონე ალფა ნაწილაკები მარტივად გავიდოდნენ და მათი გაბნევა მცირე, უმნიშვნელო იქნებოდა. ნაწილაკების უმრავლესობა მართლაც ფირფიტის პირდაპირ დაფიქსირდა, თუმცა რამდენიმე მათგანი სხვადასხვა კუთხით აირეკლა, მათ შორის, ზოგი თითქმის 180 გრადუსითაც კი. “ქლიავის პუდინგის მოდელის” შემთხვევაში ეს წარმოუდგენელი იყო. რეზერფორდსაც გაუკვირდა ასეთი შედეგი და წერდა: “ეს ჩემს ცხოვრებაში ერთ-ერთი ყველაზე განსაცვიფრებელი მოვლენა იყო. დაახლოებით იმას ჰგავს, 15 დიუმიანი ჭურვი ესროლო ქაღალდის ხელსახოცს, ის კი აირეკლოს და უკან დაგიბრუნდეს.”

რეზერფორდმა მიღებული შედეგების ასახსნელად ატომის ახალი მოდელი შემოგვთავაზა. ამ მოდელის მიხედვით, ატომის მასის უდიდესი ნაწილი მის ცენტრშია თავმოყრილი, რომელსაც ატომბირთვი ეწოდა.

ეს ნახაზი რეზერფორდის სტატიიდანაა, რომელიც α ნაწილაკის ბირთვზე გაბნევის ჰიპერბოლურ ტრაექტორიას აღწერს. S წერტილი აღნიშნავს ბირთვის მდებარეობას, რომელიც არის მასიური და დადებითად დამუხტული.  P წერტილიდან მოდის ასევე დადებითად დამუხტული α ნაწილაკი. რადგან ორივე ნაწილაკი დადებითადაა დამუხტული, ისინი ერთმანეთს განიზიდავენ ელექტრული ბუნების ძალით. შესაბამისად, α ნაწილაკი მინიმალურ SA მანძილზე უახლოვდება ბირთვს და კვლავ გაიბნევა P’-ის მიმართულებით. 

სწორედ დადებითად დამუხტული მასიური ბირთვები იყო ალფა ნაწილაკების გაბნევის მიზეზი. მაგრამ არეკვლა იშვიათად ხდებოდა, ე.ი. ატომის უდიდესი ნაწილი ცარიელი სივრცე იყო, რის გამოც ნაწილაკების უმრავლესობამ დაბრკოლების გარეშე გაიარა ფირფიტაში. რაც შეეხება ელექტრონებს, რეზერფორდის მოდელის მიხედვით, ისინი ატობირთვის გარშემო განუწყვეტლივ მოძრაობენ წრიულ ორბიტებზე. ამის გამო ამ მოდელს პლანეტარულ მოდელსაც უწოდებენ.

უკეთ რომ წარმოვიდგინოთ, რეზერფორდის მოდელის მიხედვით, ატომბირთვი პატარა ბუზია უზარმაზარი სტადიონის ცენტრში, თანაც ისე, რომ ბუზშია თავმოყრილი მთელი მასა.

მიუხედავად იმისა, რომ ამ მოდელის ჩამოყალიბებამდე რეზერფორდს უკვე ჰქონდა ნობელის პრემია, ეს მაინც მის ყველაზე მნიშვნელოვან აღმოჩენად ითვლება. 

ატომის რეზერფორდისეული მოდელი არ იყო საბოლოო და ის კიდევ დაიხვეწა. რეზერფორდის ლაბორატორიაში მომუშავე სტუდენტმა, ნილს ბორმა თავისი პოსტულატებით დააზუსტა მისი წინამორბედის მოდელი და უფრო სრულყოფილი გახადა. მოგვიანებით კი კვანტურმა ფიზიკამ და ტალღურმა თეორიამ კიდევ ერთხელ შეცვალა ჩვენი წარმოდგენა ატომის სტრუქტურის შესახებ.


წყაროები:
https://history.aip.org/history/exhibits/rutherford/sections/alpha-particles-atom.html
https://www.famousscientists.org/ernest-rutherford/

ფოტოები:
https://www.famousscientists.org/ernest-rutherford/
https://www.cupcakeproject.com/plum-pudding/
https://history.aip.org/history/exhibits/rutherford/sections/alpha-particles-atom.html

მარიამ არუსტაშვილი

Back to top